一種多目標光纖定位檢測系統及其天文標定、應用方法

本發明涉及精密光學望遠鏡儀器領域，特別涉及一種多目標光纖定位檢測系統及其天文標定、應用方法。

背景技術：

1、大規模光譜巡天觀測正在深刻地改變我們對宇宙和星系形成與演化的理解，海量光譜數據有力推動了在暗物質、暗能量等領域的突破發現，凸顯了大規模光譜巡天的重要性。多目標光纖光譜望遠鏡的焦面光纖系統可以將觀測光纖精確指向觀測天體，然后光纖將來自遙遠天體的星光送入光譜儀進行光譜分析。光纖定位精度直接決定了光纖接收星光的光通量大小。

2、以郭守敬望遠鏡（英文簡稱lamost）為例，它是一架新類型的大視場兼備大口徑望遠鏡。lamost采用了并行可控的光纖定位技術，直徑為1.75米的焦面板上放置4000根光纖，可同時獲得4000個天體的光譜。為了保證觀測光纖的精準定位，光纖定位系統采用初始盲動和多次位置補償的方式完成光纖定位。光纖初始盲動后相機拍照測量得到光纖的實際位置，然后將定位誤差反饋給上位機作為下一輪補償運動的步數。因此，相機測量系統的性能直接影響光纖定位精度。

3、視覺測量系統的首先和最重要的一步是相機標定。標定精度越高，視覺測量系統的精度也越高。目前主流方法是在焦面板上安裝大量的基準光纖作為測量基準點來標定相機，而基準光纖的坐標通常是在實驗室環境或者望遠鏡現場通過坐標測量儀器得到。例如，lamost采用的基準光纖單元，其頂部可以激光跟蹤儀的靶球，通過激光跟蹤儀測量靶球的三維坐標獲得基準光纖的坐標。理論上，認為靶球和基準光纖頂部的靶球座中心是重合的，那么靶球的坐標可以近似為基準光纖的坐標。然而，基準光纖和靶球座會存在一定的裝配誤差，并且難以補償。此外，激光跟蹤儀測量系統中還存在較大的角度誤差，在大尺度空間測量中難以滿足精度要求，這些因素都導致難以在焦面布置高精度基準光纖。

技術實現思路

1、本發明技術解決問題：克服現有技術的不足，提供一種多目標光纖定位檢測系統及其天文標定、應用方法。進一步設計一種天區基準單元，然后通過對星觀測反向計算得到基準光纖在天區坐標系下的精確坐標。

2、本發明提出一種多目標光纖定位檢測系統，多目標光纖定位檢測系統包括光纖檢測相機，焦面板，多個光纖定位單元以及多個天區基準單元；所述天區基準單元包括ccd圖像傳感器、基準光纖、恒溫模塊、光源模塊、硬件主板、單元盒、單元支撐桿；ccd圖像傳感器安裝在單元盒內；基準光纖安裝在ccd圖像傳感器的周圍，且基準光纖的尖端與ccd圖像傳感器的平面重合；光源模塊為基準光纖提供入射光；恒溫模塊為ccd圖像傳感器提供恒定環境溫度；硬件主板用于控制ccd圖像傳感器、光源模塊以及恒溫模塊的工作模式；單元盒連接到單元支撐桿；

3、其中，光纖檢測相機用于光纖定位單元的運動位置檢測和運動狀態感知；焦面板上加工有陣列分布的孔，用于安裝光纖定位單元和天區基準單元；天區基準單元通過觀測天區的星像得到基準光纖在天區坐標系下的坐標位置；基準光纖作為測量基準點被光纖檢測相機捕捉；每個光纖定位單元均攜帶有觀測光纖，觀測光纖定位在焦面指定位置用于接收目標天體的星光；單元支撐桿插入焦面板的孔中。

4、本發明還提出一種上述多目標光纖定位檢測系統的天文標定方法，所述方法包括以下步驟：

5、步驟（1）從多目標光纖定位檢測系統中取下待標定天區基準單元的單元盒，然后將一塊刻蝕多個可透光針孔的玻璃掩膜板平行放在ccd圖像傳感器的正上方；

6、步驟（2）單元盒被固定在萬能工具顯微鏡的工作臺上，用一個遠心平行光源垂直向下照射玻璃掩膜板，平行光穿過針孔后形成多個圓形光斑被ccd圖像傳感器接收到，采用質心算法處理光斑圖像得到各個光斑中心的像素坐標；結合像素元的物理尺寸，將像素坐標轉換為以毫米單位的ccd圖像坐標系下的坐標，其中，是針孔的序號；

7、步驟（3）打開萬能工具顯微鏡的光源，移走遠心平行光源；將顯微鏡探頭逐個對準玻璃掩膜板上的針孔和基準光纖，分別得到工具顯微鏡坐標系下各個針孔的坐標和基準光纖尖端的坐標，其中，是基準光纖的序號；

8、步驟（4）根據針孔在工具顯微鏡坐標系和ccd圖像坐標系下的二維坐標和，計算得到ccd圖像坐標系和工具顯微鏡坐標系的變換矩陣；再將各個基準光纖尖端的坐標乘以矩陣獲得其在ccd圖像坐標系下的坐標，標定得到基準光纖和ccd圖像傳感器的相對位置。

9、本發明還提出一種上述多目標光纖定位檢測系統的應用方法，所述方法包括以下步驟：

10、步驟（1）一定數量的天區基準單元被均勻安裝在多目標光纖定位檢測系統的焦面板上，當望遠鏡指向觀測天區，天體星像經望遠鏡光學系統射入天區基準單元的ccd圖像傳感器上，ccd圖像傳感器采集到天體星像光斑后上傳主控計算機；

11、步驟（2）主控計算機對第m個天區基準單元采集到的星像光斑進行處理和分析，分別得到星像光斑的質心在ccd圖像坐標系下的坐標和天區坐標系下的坐標，計算ccd圖像坐標系和天區坐標系的變換矩陣，然后，基于二維坐標變換計算出基準光纖在天區坐標系下的二維坐標，其中m是天區基準單元的序號，k是第m個天區基準單元采集星像光斑的序號，n是第m個天區基準單元內基準光纖的序號；

12、步驟（3）打開光纖檢測相機，調整鏡頭對焦環使其焦點對準望遠鏡的焦面，直到焦面圖像的清晰度達到最高，然后，一塊標定板被放在鏡頭景深外靠近光纖檢測相機一側的位置，標定板占據整個圖像幅面，光纖檢測相機捕捉到標定板的離焦圖像標定出光纖檢測相機的內部參數，得到像差系數、主點坐標和等效焦距；

13、步驟（4）打開光纖背照光源，光被傳輸到觀測光纖和基準光纖的尖端形成光點，光纖檢測相機朝向焦面板拍照得到整個焦面的光點圖像，采用質心算法處理焦面圖像得到所有光點的像素坐標，根據基準光纖的天區坐標和像素坐標計算相機外參，即光纖檢測相機坐標系和焦面坐標系的三維空間剛體變換矩陣，接下來，望遠鏡進入觀測模式，光纖定位單元根據預先分配的目標位置在焦面做定位運動，標定后的光纖檢測相機測量出光纖定位單元每次運動后的坐標，根據目標理論坐標計算出位置誤差后送入計算機作為下一輪位置校正的電機步數，直到觀測光纖到達指定位置處。

14、本發明與現有技術相比，具有以下有益效果：通用的大尺度坐標測量儀器在測量光纖位置中會存在的各種裝配誤差，這導致了測量精度難以滿足設計要求。本發明提出的天區基準單元是通過對星觀測反向計算基準光纖在天區坐標系下的精確坐標，天區星表的位置精度可以達到微米數量級，這是目前坐標測量儀器難以達到的高精度。因此，天區基準單元可以在焦面上建立高精度測量基準點，用于標定光纖檢測相機，保證了望遠鏡焦面光纖系統的觀測性能。

技術特征：

1.一種多目標光纖定位檢測系統，其特征在于，多目標光纖定位檢測系統包括光纖檢測相機，焦面板，多個光纖定位單元以及多個天區基準單元；所述天區基準單元包括ccd圖像傳感器、基準光纖、恒溫模塊、光源模塊、硬件主板、單元盒、單元支撐桿；ccd圖像傳感器安裝在單元盒內；基準光纖安裝在ccd圖像傳感器的周圍，且基準光纖的尖端與ccd圖像傳感器的平面重合；光源模塊為基準光纖提供入射光；恒溫模塊為ccd圖像傳感器提供恒定環境溫度；硬件主板用于控制ccd圖像傳感器、光源模塊以及恒溫模塊的工作模式；單元盒連接到單元支撐桿；

2.根據權利要求1所述的一種多目標光纖定位檢測系統，其特征在于，每個天區基準單元中的基準光纖的數量大于3根，基準光纖插入在單元盒頂部的孔里，采用螺釘或者膠水固定。

3.根據權利要求1所述的一種多目標光纖定位檢測系統，其特征在于，ccd圖像傳感器從單元盒前面的孔中露出，單元盒的后側與單元支撐桿相連，單元盒后側加工有螺紋孔，單元支撐桿采用螺紋連接單元盒后側，單元支撐桿的長度能夠調整。

4.根據權利要求1所述的一種多目標光纖定位檢測系統，其特征在于，恒溫模塊采用雙層半導體制冷，恒溫模塊通過螺紋連接安裝在單元盒底部與ccd圖像傳感器之間。

5.一種權利要求1-4任一項所述的多目標光纖定位檢測系統的天文標定方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：

6.一種權利要求1-4任一項所述的多目標光纖定位檢測系統的應用方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：

技術總結
本發明公開了一種多目標光纖定位檢測系統及其天文標定、應用方法，屬于精密光學望遠鏡儀器領域。系統包括光纖檢測相機、焦面板、光纖定位單元以及天區基準單元；天區基準單元通過觀測天區的星像得到基準光纖在天區坐標系下的位置坐標，天區基準單元包括CCD圖像傳感器、基準光纖、恒溫模塊、光源模塊、硬件主板、單元盒、單元支撐桿；還提出一種天文標定方法，將刻蝕針孔的玻璃掩膜板平行放在CCD圖像傳感器正上方，利用針孔在平行光下的投影標定出基準光纖在CCD圖像坐標系下的坐標。還提出一種應用方法，通過對星觀測反向計算基準光纖在天區坐標系下的坐標。本發明可在焦面板布置高精度基準光纖，有效提高天文望遠鏡的觀測性能。

技術研發人員：翟超,張振,顧永剛,陳桂峰
受保護的技術使用者：中國科學技術大學
技術研發日：
技術公布日：2024/10/21